MEMS技术发展及应用优势

摘要

叙述了在微工程研究领域有代表性的微机电系统(MEMS)技术特点，介绍了MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等典型的MEMS产品，概述了MEMS基础理论研究进展以及国外对MEMS陀螺仪、MEMS加速度计的研究和发展现状，分析了MEMS技术在飞航导弹等飞行器上的应用优势。

引言

新兴的微米与纳米技术正在派生出一门新兴学科叫微工程，它专门研究具有纳米、微米和毫米尺寸的实体结构的三维小型传感器和执行机构的设计、材料合成、微机械加工、组装、总装和封装。利用这项技术可以把传感器、执行机构以及信号和数据处理器做在同块芯片上，构成件微型仪表。目前，研究和开发微纳米级的微机电系统和专用微型仪表(ASIM),包括微纳米传感器、传动件、执行器以及智能材料等已成为热门课题。20世纪70年代兴起的微电子机械系统，是集执行器和传感器等微型装置、微型机构、微尺度驱动、控制与处理集成电路(IC)为一体的微型系统。随着MEMS的出现和发展，航天微系统时代将伴随而来。MEMS技术的发展，为未来飞航导弹等高端航天航空飞行器的设计提供很大的发挥空间。

1 MEMS的技术特点和典型产品

1)MEMS的技术特点

基于微机电系统技术的传感器一般是由硅基材料和利用半导体集成电路制造工艺制造而成的集微机械、微电子功能高度综合的传感器系统，它具有显著的尺寸小、质量轻、功耗低、成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强等特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它们可以完成某些传统传感器所不能实现的功能。目前研制的MEMS产品主要包括微机电陀螺仪、微机电加速度计及微压力计等在内的微机电传感器。由于在尺寸、质量、功耗和可靠性等方面的突出特点，MEMS传感器被应用于军事领域和抗恶劣环境要求高的场合。

2)MEMS压力传感器

微机电压力传感器是最早开始研制、最早开始产业化的MEMS产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础。目前，压阻式压力传感器的精度可达0.05%-0.01%，温度误差为0.0002%，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上，并能进行大范围下的全温补偿。硅微谐振式传感器除了具有普通微传感器的优点外，还具有准数字信号输出，抗干扰能力强，分辨力和测量精度高的优点。并且将敏感元件与信号调理电路高度集成在一块芯片上，大大提高可靠性和减低制造成本，具有很好的应用前景。

3) MEMS加速度计

运动载体的线运动加速度是通过加速度传感器测量的，硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的MEMS传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式，最具有吸引力的是力平衡加速度计。其主要的制造手段是硅片表面微机械工艺和BiCMOS技术。目前工程化的MESM加速度计精度在国外已达到100ug以内。

4)MEMS陀螺仪

飞行器飞行姿态运动是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度。常见的MEMS陀螺仪有双平衡环结构、悬臂梁结构、音义结构、振动环结构等，通过被激励的振动体对哥氏加速度的敏感来测量角速度。1988年，美国德雷伯实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪，1993年又研制出性能更好的音叉式线振动陀螺仪。影响其应用的主要问题是精度限制，提高精度的手段主要是改进微细加工工艺和误差分离/补偿技术。

2国外MEMS技术发展现状

2.1 MEMS基础理论研究发展

MEMS不同于传统机电系统，自身还有宏观物理学难以解释和预测的特定规律，诸如微构件力学性能、微摩擦机理、微流体力学、微传热学等基础理论研究仍然需要深入探索和关注。对于某些微纳尺寸构件或系统，其微尺度效应与宏观现象差异很大，甚至发生质的变化，诸如力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件力学性能等。在微观领域，与物体特征尺寸成高次方的惯性力、电磁力作用会随着特征尺寸的减小而快速下降，与特征尺寸成低次方的黏性力、弹性力、静电力、范德华力等减小的速度会慢的多，比高次方的力相对增大;在许多情况下，重力和惯性力可忽略，表面力和静电引力成为对系统性能起主导影响作用的因素.微构件相对运动时，表面摩擦力、润滑膜粘滞力表现突出;微观摩擦将取决于构件表面间的分子作用力，而不再是载荷压力，牛顿摩擦定律在此已不适用。在微流体力学中，微管道中液体的输送机理和外在表现与Navier-Stokes流体方程出现偏离，需要基于微流体动态测试平台进行修正。在微尺度传热学中，微槽、微孔、微管等微器件内部的传质传热特性亦与宏观传热油很大差异。

目前，MEMS基础理论研究已取得一些研究进展，并开发出一些测试仪器或系统对微尺度理论体系进行完善，但尚不系统化，有待于进一步对微结构学、微动力学、微流体力学、微摩擦学、微热力学、微电子学、微光学、微生物学等进行研究。

2.2 MEMS加速度计发展现状

美国ADI公司最早实现加速度计结构和电路的单片集成，自1993年第1只表面硅工艺生产的硅加速度计出售至今，以ADXI5O为代表的微惯性器件全球销量已超过l亿件。其器件不断朝高性能、小体积方向发展，此类加速度计主要针对工业传感领域，如汽车气囊的弹射触发等.ADI公司微加速度计的性能发展列于下表。

为了减小体积和成本，ADI公司还进行了双轴单片集成硅加速度计的研制，成品为ADXL203双轴硅微加速度计，量程为1.7 g,精度为5.0 mg。加州大学伯克利分校采用2um标准CMOS工艺研制的三轴加速度计，芯片见图1。3个分离的检测质量为2um厚的多晶硅，其检测电路包括约1000个晶体管。另外，伯克利分校还报道了一种采用单质量块实现的三轴加速度计,Litton SiACTM硅加速度计为其典型的代表，量程超过100g,零偏优于20ug,标度因数稳定性优于5x10的-5次方。采用全硅结构，体积小、质是轻、功耗低。此类加速度计针对导航和制导领域如小型无人机的导航和控制、短程战术武器制导等等，已广泛应用于LN-200、 LN-200S、LN-300等惯性测量组合上，以及LTN-101E、LI-SA-200两种民用和军用飞机惯性导航系统上。

LN-200 1MU采用SiACTM微机械加速度计，自1994年来一直高产。LN-200已广泛用于空间姿态稳定、导弹制导、雷达稳定装置等。已成功地应用于AGM-142空地导弹、BQM-74E亚声速靶机、兰天机载吊仓式光电系统、全球鹰无人机及先进中距空空导弹等武器平合上。

德国Litef公司B-290硅加速度计如图2所示，摆片采用4次双面掩膜，面积为6mm x 6mm，在KOH溶液中控制硅片刻蚀时间，电路采用脉冲调宽、数字输出、闭环控制方案。量程为10g，标度因数稳定性达到3x10的-4次方，偏置稳定性为250ug，B-290硅加速度计已经于1995年与光纤陀螺组合成1MU。

2.3 MEMS陀螺仪发展现状

硅微陀螺仪是以微机械工艺为基础制作的惯性仪表，与传统惯性元件相比，具有体积小、质量轻、功耗小、成本低、易集成、抗过载能力强和可批量生产等特点。

微机械陀螺的研究始于20世纪80年代.1985年，Drape实验室首先开始研制微机械陀螺，先后采用框架式角振动方案、音叉式线振动方案及振动轮式方案。

2002年，ADI公司研制成功世界上第1个单片集成的商用陀螺仪产品ADXRS，它将敏感质量块限制在多品硅框架内，使其只能沿个方向振动。检测电极用来检测由哥氏力引起的振动位移.该芯片同时将检侧电路与敏感结构集成在一起，一方面大大减少了嗓声信号的影响，同时减小了芯片的体积和功耗，此类陀螺仪主耍针对工业传感领域。加州大学伯克利分校于20世纪90年代中期率先开始研究双输入轴微机械陀螺仪.初期研制的陀螺仪检测质量块为直径300um，厚2um的多晶硅圆盘。支撑件为4根由圆盘外侧向外延伸的弹性梁。圆盘周围有12对梳齿，分别作静电驱动和驱动检测之用。该陀螺仪采用表面微加工工艺加工。与超大规模集成电路工艺兼容。在7.89Pa的真空环境下，该陀螺仪驱动模态品质因数为960。开环试脸表明，当驱动模态与检测模态的自然频率相差1.4%时，随机游走为10 P/h。经改进的陀螺仪由Sandia国家实验室加工。目前已与Z轴陀螺仪和三轴加速度计一起构成单片IMU。

采用和IC工艺兼容的MEMS工艺，实现的六自由度惯性传感器系统如图3所示，最大尺寸方向小于10mm。加速度计分辨率小于1mg,陀螺仪分辨率小于1P/s。由于实现了单片集成，有效减小体积、功耗，同时降低成本。

针对导航和制导领域应用要求，Litton公司于1996年开始微机械陀螺仪SiCyTM的研制，2003年SiCyTM实现1P/h-10P/h，用于LN-3001MU。喷气推进实验室研制的四叶式硅陀螺，采用体加工技术和超精密机械加工,最后经微组装工艺装配。体积为73.8 立方cm，功耗1w，2002年中期时零偏稳定性已达到1P/h,目标是应用于微小卫星的导航控制。

同时日本、澳大利亚、加拿大等国家部开展了基于MEMS惯性仪表技术的研究工作。

3 MEMS应用优势

MEMS技术发展迅速，特点突出，应用前景良好.主要体现在以下几个方面：

1)体积越来越小，精度越来越高，设计方案呈多样化。

例如MEMS陀螺先后经历振动框架式、谐振音叉式、振动轮式、振环陀螺、四叶式等形式，陀螺漂移10 P/h.硅微加速度计先后经历叉指式、三明治式、谐振梁式等技术方案，零偏和标度因素由10 mg达到2005年的20ug. ADI公司成功研制的微小型双轴加速度计体积仅为5 mm x 5 mm x l .45 mm,质量小于Ig。硅微陀螺ADXRS系列产品尺寸为7mm x 7mm x 3mm,质量小于1g。技术方案的不断创新，从工作机理上减少了误差源，提高了精度。

2) 工艺和封装技术日趋成熟

MEMS艺主要包括:面加工技术，体加工技术，基于绝缘基体硅工艺等等。面加工技术主要是基片上淀积或生长多晶硅层来制造微机械结钩。体加工技术的基础是单晶硅刻蚀技术，中间层的硅微机械结构经过多次掩膜、双面光刻以及各向异性刻蚀而成，然后与上下层精密键合成一个整体。S01工艺结合前两者的优势，它可以得到高质量的单品硅独立结构，同时保留面加工。具有尺寸小、与IC工艺兼容、价格低的批量生产优点。目前，上述3类工艺工序操作和控制都得到了发展和提高，完善了微敏感结构工艺工序的膜厚、线宽以及内应力的检测，微结构高深宽比的三维尺寸加工精度能够得到较好的保证，全硅敏感结构工艺正在开发和完善。

3) 工程应用领域不断拓展，成功案例越来越多。

MEMS技术正在不断融合，向提高精度、数字化、高可靠性方向发展，成功的应用案例非常多。例如，ADM公司研制的表面工艺的MEMS惯性器件大量应用于民用和工业传感领域，产品销量己经达到几亿只，每只售价仅几十美元。可广泛用于姿态稳定系统以及短距离的战术武器制导，还可以和全球定位系统(GPS)组合构成导航系统，如Litton公司研制的体硅工艺的MEMS惯性器件LN300已经装备15000套。

4)为冗余控制、精确控制设计与实现奠定基础。

传统飞行器上的控制系统姿态敏感和调控设备因为体积大，能耗大，多设备冗余设计只能通过增大飞行器体积，牺牲飞行器速度或有效航程为代价:惯导、陀操仪、加速度计等姿态测量器件也不可能在飞行器上大范围内布放。MEMS为基础的器件则不同，因为体积、质量、能耗、精度各方面的综合性能优越，为其在飞行载体上的大量使用奠定了基础，飞行器上控制系统实现二级冗余、三级冗余乃至N级独立的冗余控制方案的设计和实现提供了现实基础;还可以通过多点布放，将飞行器姿态的测量由传统的局限式的点式测量，可以拓展到网络式的面基测量或三维体式测量，为探索和应用新的测量方法，提高测量精度提供了有力的支撑。